CN114050598A - 一种双馈风电机组惯量响应控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双馈风电机组惯量响应控制方法及系统，以使双馈风电机组能够对电网提供惯量支撑。该方法包括：实时获取电网频率变化率；当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

Description

一种双馈风电机组惯量响应控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种双馈风电机组惯量响应控制方法及系统。

背景技术

如图1所示，双馈风电机组包括：叶轮1、发电机2、转子侧变流器3、网侧变流器4，以及接在转子侧变流器3与网侧变流器4之间的直流母线电容5；发电机2的定子三相绕组与电网直接连接，而转子三相绕组通过两变流器与电网相连。

为追求风能的最大化利用，双馈风电机组通常追踪最大功率点运行，无法提供有功备用。而双馈风电机组追踪最大功率点的运行方式使得电网频率与其转子转速解耦，不具备惯量响应能力(即不具备像传统机组一样的对电网提供惯量支撑的能力；惯量响应，是指当电网发生扰动时，有功功率不再平衡，惯量源释放或吸收能量向电网注入或析出有功功率，从而达到减缓电网频率变化速度的目的)，这使得当越来越多“无惯量”的双馈风电机组取代传统机组并入电网时，会导致电网整体惯量不断减小，电网的频率稳定性不断减弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双馈风电机组惯量响应控制方法及系统，以使双馈风电机组能够对电网提供惯量支撑。

一种双馈风电机组惯量响应控制方法，包括：

实时获取电网频率变化率；

当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

可选的，在所述直流母线惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节直流母线电压的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔU_DC有极值约束，ΔU_DC达到最大限值时不再继续增大，ΔU_DC达到最小限值时不再继续减小。

可选的，当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，还启动转子动能惯量响应控制策略；

所述转子动能惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当电网频率变化率为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

可选的，在所述转子动能惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节发电机转矩的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算发电机转矩调节量

H为第二惯量系数；然后将ΔT叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩上，再根据叠加后的值与发电机转矩反馈值之间的偏差，调制转子侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔT有极值约束，ΔT达到最大限值时不再继续增大，ΔT达到最小限值时不再继续减小。

可选的，在启动所述直流母线惯量响应控制策略后，延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略。

可选的，在延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略的情况下，根据电网频率变化率调节发电机转矩的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算发电机转矩调节量

H为第二惯量系数，T_d为一阶惯量环节时间常数；然后将ΔT叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩上，再根据叠加后的值与发电机转矩反馈值之间的偏差，调制转子侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔT有极值约束，ΔT达到最大限值时不再继续增大，ΔT达到最小限值时不再继续减小。

一种双馈风电机组惯量响应控制系统，包括：采样单元和网侧变流器控制控制单元；

所述采样单元，用于实时获取电网频率变化率；

所述网侧变流器控制控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

可选的，所述网侧变流器控制控制单元在所述直流母线惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节直流母线电压的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔU_DC有极值约束，ΔU_DC达到最大限值时不再继续增大，ΔU_DC达到最小限值时不再继续减小。

可选的，所述双馈风电机组惯量响应控制系统还包括：转子侧变流器控制单元；

所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，还启动转子动能惯量响应控制策略；

所述转子动能惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当电网频率变化率为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

可选的，所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，在所述直流母线惯量响应控制策略被启动后，延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略。

从上述的技术方案可以看出，双馈风电机组的直流母线电容中存储有一定的能量，在电网频率变化时，本发明通过主动调节直流母线电压，使直流母线电容释放或吸收能量，从而达到了减缓电网频率变化速度的目的，保证了双馈风电机组对电网提供类似传统机组的惯量支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种双馈风电机组结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种双馈风电机组惯量响应控制方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种直流母线惯量响应控制策略控制框图；

图4为本发明实施例公开的一种转子动能惯量响应控制策略控制框图；

图5为本发明实施例公开的一种双馈风电机组惯量响应控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，本发明实施例公开了一种双馈风电机组惯量响应控制方法，包括：

步骤S01：实时获取电网频率变化率

其中，获取电网频率变化率

的具体方式，例如是：采样并网点电压、电流信息，然后通过计算得到电网频率变化率

步骤S02：判断电网频率变化率

是否超过阈值；若是，进入步骤S03，若否，返回步骤S01。

步骤S03：启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率

为负值时，在保证直流母线电压U_DC不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率

的减小，减小直流母线电压U_DC；当电网频率变化率

为正值时，在保证直流母线电压U_DC不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率

的增大，增大直流母线电压U_DC。

具体的，双馈风电机组中的直流母线电容位于转子侧变流器与网侧变流器之间，作用是维持直流母线电压U_DC的稳定。直流母线电容中存储有一定的能量，在电网频率变化时，通过主动调节直流母线电压U_DC，使直流母线电容释放或吸收能量，就能够使双馈风电机组对电网提供类似传统机组的惯量支撑。

其中，当电网频率变化率

为负值时，说明当前工况下电网频率变小，需要增大双馈风电机组的有功输出来达到减缓电网频率变化速度的目的，而通过降低直流母线电压U_DC，可以释放直流母线电容中存储的能量，进而增大双馈风电机组的有功输出。当电网频率变化率

为正值时，说明当前工况下电网频率变大，需要减小双馈风电机组的有功输出来达到减缓电网频率变化速度的目的，而通过增大直流母线电压U_DC，可以将双馈风电机组多余的有功功率存储到直流母线电容中，进而减小双馈风电机组的有功输出。

直流母线电压U_DC的调节方式采用闭环调节方式，具体为：根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量U_DC0上，再根据叠加后的值(叠加后的值即下一时刻的直流母线电压给定量U_{DC_ref}，U_{DC_ref}＝ΔU_DC+U_DC0)与直流母线电压反馈值U_DC之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差。

不过考虑到直流母线电压U_DC存在极值约束，所以直流母线电压给定量U_{DC_ref}存在同等大小的极值约束，U_{DC_ref}的最大限值和最小限值分别用

和

表示，

的大小受母线电容和半导体开关器件耐压条件约束，

的大小受双馈风电机组并网点电压条件约束，比如

U_n为双馈风电机组并网点线电压有效值。所以，当直流母线电压给定量U_{DC_ref}增大到

时不得再继续增大；当直流母线电压给定量U_{DC_ref}减小到

时不得再继续减小。对应的，ΔU_DC存在极值约束，ΔU_DC的最大限值和最小限值分别用ΔU_max和ΔU_min表示，

所述直流母线惯量响应控制策略对应的控制框图如图3所示。

也就是说，在所述直流母线惯量响应控制策略中，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压，具体包括：

计算直流母线电压调节量

然后，将ΔU_DC叠加到U_DC0上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

对应的，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压，具体包括：

计算直流母线电压调节量

然后，将ΔU_DC叠加到U_DC0上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差。

另外，在所述直流母线惯量响应控制策略中，为避免直流母线惯量响应控制策略频繁起停，本发明实施例还设置了一个惯量响应调节死区，也即：当

时，不启动直流母线惯量响应控制策略；只有当

时，才启动该直流母线惯量响应控制策略。

由以上描述可知，双馈风电机组的直流母线电容中存储有一定的能量，在电网频率变化时，本发明实施例通过主动调节直流母线电压，使直流母线电容释放或吸收能量，从而达到了减缓电网频率变化速度的目的，保证了双馈风电机组对电网提供类似传统机组的惯量支撑。

此外，旋转的转子中也存储有大量动能，在电网频率变化时，通过主动调节转子转速，释放转子动能/或将多余能量转换为转子动能，也能达到减缓电网频率变化速度的目的，保证双馈风电机组对电网提供类似传统机组的惯量支撑。不过考虑到转子转速在惯量响应之后的恢复过程中会吸收/释放部分能量，容易造成电网频率的二次降低/升高，因此本申请不推荐单独采用转子动能惯量响应控制策略，不过可以采用直流母线惯量响应控制策略与转子动能惯量响应控制策略相结合的方式，从而避免了转子转速大范围变化，有效降低了电网频率的二次降低/升高的风险。进一步的，在电网频率变化率的绝对值超于阈值时，两策略可以同时开始启动，也可以让转子动能惯量响应控制策略滞后直流母线惯量响应控制策略启动。

转子转速通过转子侧变流器调发电机转矩进行调节。对应的，所述转子动能惯量响应控制策略具体为：当

为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当

为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

发电机转矩的调节方式采用闭环调节方式，在不延时启动转子动能惯量响应控制策略时，发电机转矩调节过程具体为：根据电网频率变化率

计算发电机转矩调节量

H为第二惯量系数，然后将ΔT叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩T_MPPT上，再根据叠加后的值(叠加后的值即下一时刻的发电机转矩给定量T_ref，T_ref＝ΔT+T_MPPT)与发电机转矩反馈值之间的偏差，调制转子侧变流器，力图减小或消除该偏差。不过考虑到发电机转矩存在极值约束，所以ΔT存在极值约束，ΔT的最大限值和最小限值分别用ΔT_max和ΔT_min表示，ΔT达到最大限值ΔT_max时不得再继续增大，ΔT达到最小限值ΔT_min时不得再继续减小。

在延时启动转子动能惯量响应控制策略时，可在转子侧变流器控制系统中加入延时环节，例如加入一阶惯量环节，将上述

改为

即可，T_d为一阶惯量环节时间常数，通过调节T_d来调节转子动能惯量响应滞后时间的长短。此时的转子动能惯量响应控制策略对应的控制框图如图4所示。

此外，与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种双馈风电机组惯量响应控制系统，如图5所示，包括：采样单元6和网侧变流器控制控制单元7；

所述采样单元，用于实时获取电网频率变化率；

所述网侧变流器控制控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

可选的，所述网侧变流器控制控制单元在所述直流母线惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节直流母线电压的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔU_DC有极值约束，ΔU_DC达到最大限值时不再继续增大，ΔU_DC达到最小限值时不再继续减小。

可选的，仍参见图5，在上述公开的任一实施例中，所述双馈风电机组惯量响应控制系统还包括：转子侧变流器控制单元8；

所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，还启动转子动能惯量响应控制策略；

所述转子动能惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当电网频率变化率为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

可选的，所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，在所述直流母线惯量响应控制策略被启动后，延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，包括：

实时获取电网频率变化率；

当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

2.根据权利要求1所述的双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，在所述直流母线惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节直流母线电压的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔU_DC有极值约束，ΔU_DC达到最大限值时不再继续增大，ΔU_DC达到最小限值时不再继续减小。

3.根据权利要求1所述的双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，还启动转子动能惯量响应控制策略；

所述转子动能惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当电网频率变化率为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

4.根据权利要求3所述的双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，在所述转子动能惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节发电机转矩的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算发电机转矩调节量

H为第二惯量系数；然后将ΔT叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩上，再根据叠加后的值与发电机转矩反馈值之间的偏差，调制转子侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔT有极值约束，ΔT达到最大限值时不再继续增大，ΔT达到最小限值时不再继续减小。

5.根据权利要求3所述的双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，在启动所述直流母线惯量响应控制策略后，延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略。

6.根据权利要求5所述的双馈风电机组惯量响应控制方法，其特征在于，在延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略的情况下，根据电网频率变化率调节发电机转矩的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算发电机转矩调节量

H为第二惯量系数，T_d为一阶惯量环节时间常数；然后将ΔT叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩上，再根据叠加后的值与发电机转矩反馈值之间的偏差，调制转子侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔT有极值约束，ΔT达到最大限值时不再继续增大，ΔT达到最小限值时不再继续减小。

7.一种双馈风电机组惯量响应控制系统，其特征在于，包括：采样单元和网侧变流器控制控制单元；

所述采样单元，用于实时获取电网频率变化率；

所述网侧变流器控制控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，启动直流母线惯量响应控制策略；

所述直流母线惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证直流母线电压不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的减小，减小直流母线电压；当电网频率变化率为正值时，在保证直流母线电压不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的增大，增大直流母线电压。

8.根据权利要求7所述的双馈风电机组惯量响应控制系统，其特征在于，所述网侧变流器控制控制单元在所述直流母线惯量响应控制策略中，根据电网频率变化率调节直流母线电压的过程，包括：

根据电网频率变化率

计算直流母线电压调节量ΔU_DC，

K_DC为第一惯量系数；然后将ΔU_DC叠加到直流母线电压初始给定量上，再根据叠加后的值与直流母线电压反馈值之间的偏差，调制网侧变流器，力图减小或消除偏差；

其中，ΔU_DC有极值约束，ΔU_DC达到最大限值时不再继续增大，ΔU_DC达到最小限值时不再继续减小。

9.根据权利要求7所述的双馈风电机组惯量响应控制系统，其特征在于，所述双馈风电机组惯量响应控制系统还包括：转子侧变流器控制单元；

所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，还启动转子动能惯量响应控制策略；

所述转子动能惯量响应控制策略包括：当电网频率变化率为负值时，在保证发电机转矩不超出最大限值的情况下，随电网频率变化率的减小，增大发电机转矩；当电网频率变化率为正值时，在保证发电机转矩不低于最小限值的情况下，随电网频率变化率的增大，减小发电机转矩。

10.根据权利要求9所述的双馈风电机组惯量响应控制系统，其特征在于，所述转子侧变流器控制单元，用于当电网频率变化率的绝对值超于阈值时，在所述直流母线惯量响应控制策略被启动后，延时预设时间再启动所述转子动能惯量响应控制策略。

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